材料成型技术课程论文题目：熔融沉积制造-FDM 系（部）：专业：学生姓名：学号：完成时间：201 年月日前言快速成型技术(Rapid Prototyping)是 20 世纪80年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。

RP技术是将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数控技术(CNC) 、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。

RP经过十多年的发展 ,已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺光固化立体造型( SL —Stereo lithography) 、分层物体制造(LOM —Laminated Object Manufacturing)选择性激光烧结(SLS—Selected Laser Sintering)和熔融沉积造型( FDM —Fused Deposition Modeling)等。

这四种典型的快速成型工艺的基本原理都是一样的 ,但各种方法各有其特点。

FDM （Fused Deposition Modeling）工艺是由美国学者Scott Crump于1988年研制成功，其后由Stratasys公司推出商品化的3D Modeler 1000、1100和FDM 1600、1650等系列产品。

后来清华大学研究开发出了与其工艺原理相近的MEM（Melted Extrusion Modeling）工艺及系列产品。

[1]目前，FDM工艺已经广泛应用于汽车领域，如车型设计的检验设计、空气动力评估和功能测试；也被广泛应用于机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、办公用品、玩具等产品的设计开打过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前检验设计以及少量产品制造等。

用传统方法需机几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何道具和模具，可快速完成。

1 熔融沉积制造工艺原理1.1快速成形技术基本原理快速成型技术是对零件的三维 CAD 实体模型 ,按照一定的厚度进行分层切片处理 ,生成二维的截面信息 ,然后根据每一层的截面信息 ,利用不同的方法生成截面的形状。

这一过程反复进行 ,各截面层层叠加 ,最终形成三维实体。

分层的厚度可以相等 ,也可以不等。

分层越薄 ,生成的零件精度越高 ,采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。

1.2 FDM 的工艺原理图1 FDM工艺原理图如图 1 所示。

成形时，丝状的成形材料和支撑材料由送丝机构送至各自对应的微细喷头，在喷头的挤出部位被加热至熔融或半熔融状态。

喷头在计算机控制下，按照模型的CAD分层数据控制的零件截面轮廓和填充轨迹作 X-Y 平面运动；同时在恒定压力下，将融化的材料以较低的速度连续的挤出并控制其流量。

材料被选择性的沉积在层面指定位置后迅速凝固，形成截面轮廓，并与周围的材料凝结。

一层截面完成后，工作台下降一层的高度（0.25-0.75mm），再继续进行下一层的沉积。

如此重复，直至完成整个实体的造型[3]。

2 熔融沉积制造系统简介2.1硬件系统一般熔融沉积制造机械系统包括运动、喷头、成型室、材料室、控制室和电源室等单元，喷头是该系统的关键部件[7]。

以上海富力奇公司推出的TSJ系列快速成型机为例介绍一下喷头结构[8]。

如图2，喷头内的螺杆和送丝机构可用同一步进电机驱动，当外部计算机发出指令后，步进电机驱动螺杆，同时通过同步齿形带传动与送料辊将塑料丝送人成型头，在喷头中熔融，并在螺杆挤压作用下通过喷嘴涂覆在工作台上。

图2 FDM快速成型系统喷头结构示意图[8]2.2软件系统几何建模单元是由设计人员借助CAD软件，如PRO/E、Auto-CAD等构造产品的实体模型或由三维测量仪（CT、MRI等）获取的数据重构产品的实体模型，最后以STL格式输出原型的几何信息。

信息处理单元由STL文件处理、工艺处理、数控、图形显示等模块组成，分别完成对STL文件错误数据检验与修复、层片文件生成、填充线计算、数控代码生成和对原型机的控制。

其中，工艺处理模块根据STL文件判断制作成型过程中是否需要支撑，如需要支撑则进行支撑结构设计，并以CLI格式输出产生分层CLI文件。

2.3供料系统供料系统主要完成原型材料和支撑材料的精准供给。

送料时，实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电动机驱动辊子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的出口送进。

在供料辊与喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦材料制成，以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔。

3 熔融沉积制造系统设备简介目前研究熔融沉积工艺设备的主要有美国的Stratasys 公司、MedModeler 公司以及国内的清华大学。

所有Stratasys 公司生产的设备都具有下列特征[10]：（1）设备结构紧凑，设计成“即插即用”原型机；（2）无需激光器，能量损耗低；（3）不需冷却水；（4）对操作者而言，不需排除刺激的或有毒的蒸汽；（5）可在办公环境下操作。

FDM3000是系列机（包括FDM1650、FDM2000、FDM8000）中的标准设备。

与其他机型相比，该设备有两个喷头，可以同时挤出模型材料和支撑料。

设备本身紧凑，只有160Kg，不需要多余的配置，只需230V/10A的电压，通过一个V24的接口与工作站联系，喷头是可更换的。

图3 FDM3000原型机图4 FDM Titan原型机图3型号为FDM3000 ，其技术参数如下：使用材料：ABS （P400 ）支撑材料：水溶性支撑材料成形尺寸：254mm⨯ 254mm ⨯ 254mm精度：Model尺寸<127 mm，精度为±0.178 mm（±-0.001 4 mm/mm）Model尺寸＞127 mm，精度为±0.053 4 mm/mm层厚：0.177 8 mm 0.254 0 mm 0.304 8 mm重量：160Kg电源： 230V/10A图4为FDM Titan原型机，其技术参数如下：成型尺寸：14x16x16in(355x406x406mm)成形材料： ABS、PC、PPSF每层厚度：0.12(ABS)/0.17(PC)/0.25mm支撑材料：水溶性支撑(ABS)，易于剥离支撑(PC/PPSF)重量：726kg电源：230V，50/60Hz， 3Pase， 16A外观尺寸：1270(W)x876(D)x1981(H)mm图5 FDM Maxum原型机图6 Fortus 400C原型机图5为FDM Maxum原型机，其技术参数如下：成形尺寸:23.6x19.7x23.6in(600x500x600mm)成形材料:ABS（p400）ABS Si（P500）每层厚度:0.12/0.17/0.25mm支撑材料:WaterWorks for ABS重量:1134kg电源:208-240V AX, 50/60Hz, 32A外观尺寸:2235(W)x1981(D)x1118(H)mm对于塑料来讲，FDM Maxum是最大最快的FDM设备，设计用来成形ABS模型。

其速度快的原因在于采用电磁式空气线轴承驱动。

工作时，定子固定在底座，转子安装在挤出头中，喷头靠移动的电磁场在x，y方向定位，移动迅速、准确，并且因为是空气支撑，非常接近于无摩擦[10]。

图6为Fortus 400C原型机，其技术参数如下：Fortus 400C原型机技术参数成形尺寸：356 x 254 x 254 mm （406 x 356 x 406 mm ）成形材料：ABS、PC、PPSF/PPSU每层厚度：0.330 mm 0.254 mm 0.178 mm 0.127 mm成形精度：(+/- .127 mm or +/- .0015 mm per mm）支撑材料：水溶性（ABS，PC-ABS ）；易于剥离支撑（PC, ULTEM 9085, PPSF/PPSU）电源：230 V AC, 50/60 Hz, 3 phase, 16A/phase4 FDM快速成型工艺过程FDM快速成形工艺流程图如下图7所示：图7 FDM快速成形工艺流程图4.1产品三维建模设计人员接到设计任务后，首先根据产品的使用要求，利用计算机辅助设计软件设计出产品的三维模型。

目前常用的设计软件有: Pro/ E、Solidworks 、MDT 、AutoCAD 、U G等[4] 。

或由三维测量仪（CT、MRI等）获取的数据重构产品的实体模型，最后以STL格式输出原型的几何信息。

4.2三维模型分层处理在得到零件三维实体后，要完成最终造型，必须得到每一层的二维截面信息，所以必须对三维模型进行分层处理。

目前最普遍的方法是采用美国3D System 公司开发的STL(Sterolithgraphy)文件格式。

这种文件格式是将CAD表面离散化为三角形面片，如图7所示。

根据实体的表面曲率，实体的表面由众多的三角形面片组成，不同的精度时有不同的三角形网格划分。

如图8为对同一直径的球体在不同精度条件下的表面三角形面片表示[6]。

图8 STL格式文件三角面片表示图9 不同精度条件下球体表面三角片面表示4.3 FDM造型产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制4.3.1 支撑制作由于 FDM 的工艺特点 ,系统必须对产品三维CAD模型做支撑处理 ,否则 ,在分层制造过程中 ,当上层截面大于下层截面时 ,上层截面的多出部分会出现悬浮(或悬空) ,从而使截面部分发生塌陷或变形 ,影响零件原型的成型精度 ,甚至使产品原型不能成型。

支撑还有一个重要的目的:建立基础层。

在工作平台和原型的底层之间建立缓冲层 ,使原型制作完成后便于剥离工作平台。

此外 ,基础支撑还可以给制造过程提供一个基准面。

所以FDM 造型的关键一步是制作支撑。

4.3.2实体制作在支撑的基础上进行实体的造型 ,自下而上层层叠加形成三维实体 ,这样可以保证实体造型的精度和品质。

4.4 后处理快速成型的后处理主要是对原型进行表面处理。

去除实体的支撑部分 ,对部分实体表面进行处理 ,使原型精度、表面粗糙度等达到要求。

但是 ,原型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除 ,在处理过程中会出现损坏原型表面的情况 ,从而影响原型的表面品质。

于是 ,1999 年 Stratasys 公司开发出水溶性支撑材料 ,有效的解决了这个难题。

目前 ,我国自行研发 FDM 工艺还无法做到这一点 ,原型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。

5 FDM工艺过程影响因素5.1材料性能材料的性能直接影响成形过程及成形精度。

FDM工艺对材料以下性能有所要求：（1）材料的粘度：材料的粘度低，流动性好，阻力就小，有助于材料的顺利挤出。

材料的流动性差，需要很大的压力才能挤出，会增加喷头的起停响应时间，从而影响成形精度。

（2）材料的熔融温度：熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。